Polarimetric Synthetic Aperture Radar

This open access book focuses on the practical application of electromagnetic polarimetry principles in Earth remote sensing with an educational purpose. In the last decade, the operations from fully polarimetric synthetic aperture radar such as the Japanese ALOS/PalSAR, the Canadian Radarsat-2 and the German TerraSAR-X and their easy data access for scientific use have developed further the research and data applications at L,C and X band. As a consequence, the wider distribution of polarimetric data sets across the remote sensing community boosted activity and development in polarimetric SAR applications, also in view of future missions. Numerous experiments with real data from spaceborne platforms are shown, with the aim of giving an up-to-date and complete treatment of the unique benefits of fully polarimetric synthetic aperture radar data in five different domains: forest, agriculture, cryosphere, urban and oceans

Radar satellite imagery for humanitarian response. Bridging the gap between technology and application

This work deals with radar satellite imagery and its potential to assist of humanitarian operations. As the number of displaced people annually increases, both hosting countries and relief organizations face new challenges which are often related to unclear situations and lack of information on the number and location of people in need, as well as their environments. It was demonstrated in numerous studies that methods of earth observation can deliver this important information for the management of crises, the organization of refugee camps, and the mapping of environmental resources and natural hazards. However, most of these studies make use of -high-resolution optical imagery, while the role of radar satellites is widely neglected. At the same time, radar sensors have characteristics which make them highly suitable for humanitarian response, their potential to capture images through cloud cover and at night in the first place. Consequently, they potentially allow quicker response in cases of emergencies than optical imagery. This work demonstrates the currently unused potential of radar imagery for the assistance of humanitarian operations by case studies which cover the information needs of specific emergency situations. They are thematically grouped into topics related to population, natural hazards and the environment. Furthermore, the case studies address different levels of scientific objectives: The main intention is the development of innovative techniques of digital image processing and geospatial analysis as an answer on the identified existing research gaps. For this reason, novel approaches are presented on the mapping of refugee camps and urban areas, the allocation of biomass and environmental impact assessment. Secondly, existing methods developed for radar imagery are applied, refined, or adapted to specifically demonstrate their benefit in a humanitarian context. This is done for the monitoring of camp growth, the assessment of damages in cities affected by civil war, and the derivation of areas vulnerable to flooding or sea-surface changes. Lastly, to foster the integration of radar images into existing operational workflows of humanitarian data analysis, technically simple and easily-adaptable approaches are suggested for the mapping of rural areas for vaccination campaigns, the identification of changes within and around refugee camps, and the assessment of suitable locations for groundwater drillings. While the studies provide different levels of technical complexity and novelty, they all show that radar imagery can largely contribute to the provision of a variety of information which is required to make solid decisions and to effectively provide help in humanitarian operations. This work furthermore demonstrates that radar images are more than just an alternative image source for areas heavily affected by cloud cover. In fact, what makes them valuable is their information content regarding the characteristics of surfaces, such as shape, orientation, roughness, size, height, moisture, or conductivity. All these give decisive insights about man-made and natural environments in emergency situations and cannot be provided by optical images Finally, the findings of the case studies are put into a larger context, discussing the observed potential and limitations of the presented approaches. The major challenges are summarized which need be addressed to make radar imagery more useful in humanitarian operations in the context of upcoming technical developments. New radar satellites and technological progress in the fields of machine learning and cloud computing will bring new opportunities. At the same time, this work demonstrated the large need for further research, as well as for the collaboration and transfer of knowledge and experiences between scientists, users and relief workers in the field. It is the first extensive scientific compilation of this topic and the first step for a sustainable integration of radar imagery into operational frameworks to assist humanitarian work and to contribute to a more efficient provision of help to those in need.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit bildgebenden Radarsatelliten und ihrem potenziellen Beitrag zur Unterstützung humanitärer Einsätze. Die jährlich zunehmende Zahl an vertriebenen oder geflüchteten Menschen stellt sowohl Aufnahmeländer als auch humanitäre Organisationen vor große Herausforderungen, da sie oft mit unübersichtlichen Verhältnissen konfrontiert sind. Effektives Krisenmanagement, die Planung und Versorgung von Flüchtlingslagern, sowie der Schutz der betroffenen Menschen erfordern jedoch verlässliche Angaben über Anzahl und Aufenthaltsort der Geflüchteten und ihrer natürlichen Umwelt. Die Bereitstellung dieser Informationen durch Satellitenbilder wurde bereits in zahlreichen Studien aufgezeigt. Sie beruhen in der Regel auf hochaufgelösten optischen Aufnahmen, während bildgebende Radarsatelliten bisher kaum Anwendung finden. Dabei verfügen gerade Radarsatelliten über Eigenschaften, die hilfreich für humanitäre Einsätze sein können, allen voran ihre Unabhängigkeit von Bewölkung oder Tageslicht. Dadurch ermöglichen sie in Krisenfällen verglichen mit optischen Satelliten eine schnellere Reaktion. Diese Arbeit zeigt das derzeit noch ungenutzte Potenzial von Radardaten zur Unterstützung humanitärer Arbeit anhand von Fallstudien auf, in denen konkrete Informationen für ausgewählte Krisensituationen bereitgestellt werden. Sie sind in die Themenbereiche Bevölkerung, Naturgefahren und Ressourcen aufgeteilt, adressieren jedoch unterschiedliche wissenschaftliche Ansprüche: Der Hauptfokus der Arbeit liegt auf der Entwicklung von innovativen Methoden zur Verarbeitung von Radarbildern und räumlichen Daten als Antwort auf den identifizierten Forschungsbedarf in diesem Gebiet. Dies wird anhand der Kartierung von Flüchtlingslagern zur Abschätzung ihrer Bevölkerung, zur Bestimmung von Biomasse, sowie zur Ermittlung des Umwelteinflusses von Flüchtlingslagern aufgezeigt. Darüber hinaus werden existierende oder erprobte Ansätze für die Anwendung im humanitären Kontext angepasst oder weiterentwickelt. Dies erfolgt im Rahmen von Fallstudien zur Dynamik von Flüchtlingslagern, zur Ermittlung von Schäden an Gebäuden in Kriegsgebieten, sowie zur Erkennung von Risiken durch Überflutung. Zuletzt soll die Integration von Radardaten in bereits existierende Abläufe oder Arbeitsroutinen in der humanitären Hilfe anhand technisch vergleichsweise einfacher Ansätze vorgestellt und angeregt werden. Als Beispiele dienen hier die radargestützte Kartierung von entlegenen Gebieten zur Unterstützung von Impfkampagnen, die Identifizierung von Veränderungen in Flüchtlingslagern, sowie die Auswahl geeigneter Standorte zur Grundwasserentnahme. Obwohl sich die Fallstudien hinsichtlich ihres Innovations- und Komplexitätsgrads unterscheiden, zeigen sie alle den Mehrwert von Radardaten für die Bereitstellung von Informationen, um schnelle und fundierte Planungsentscheidungen zu unterstützen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit deutlich, dass Radardaten für humanitäre Zwecke mehr als nur eine Alternative in stark bewölkten Gebieten sind. Durch ihren Informationsgehalt zur Beschaffenheit von Oberflächen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Rauigkeit, Feuchte, Form, Größe oder Höhe, sind sie optischen Daten überlegen und daher für viele Anwendungsbereiche im Kontext humanitärer Arbeit besonders. Die in den Fallstudien gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend vor dem Hintergrund von Vor- und Nachteilen von Radardaten, sowie hinsichtlich zukünftiger Entwicklungen und Herausforderungen diskutiert. So versprechen neue Radarsatelliten und technologische Fortschritte im Bereich der Datenverarbeitung großes Potenzial. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit einen großen Bedarf an weiterer Forschung, sowie an Austausch und Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern, Anwendern und Einsatzkräften vor Ort. Die vorliegende Arbeit ist die erste umfassende Darstellung und wissenschaftliche Aufarbeitung dieses Themenkomplexes. Sie soll als Grundstein für eine langfristige Integration von Radardaten in operationelle Abläufe dienen, um humanitäre Arbeit zu unterstützen und eine wirksame Hilfe für Menschen in Not ermöglichen

Orbital differential SAR interferometry with polarimetric data

Space-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) systems have demonstrated great effectiveness to survey wide areas, independently of the weather conditions and the day/night cycle. One of the most exploited applications is Differential SAR Interferometry (DInSAR), and by extension, advanced multi-temporal techniques addressed as Persistent Scatterers Interferometry (PSI). These techniques provide the means to retrieve the displacement on the observed terrain surface. Taking advantage of the high coverage provided by this technology, natural and human induced phenomena may be monitored and detected in order to avoid and prevent hazardous or even catastrophic situations. A good characterization of such events is often related to the density and quality of the information delivered. In many cases, the success in the interpretation of localized surface motion phenomena relies on having as much measurements as possible. Conventional insitu techniques, when used properly, are able to provide reliable measurements. However, they are limited to their localization, and deploy a high number of instruments is not cost effective. The good characterization provided by PSI measurements is limited by the acquisition parameters and the actual scene under monitoring. SAR images sensitivity over the scene depends strongly on the geometric shape and distribution of targets. Historically, satellite SAR sensors had single polarimetric capabilities, so sensitivity over the scene was restricted to a certain antenna configuration. On the contrary, polarimetric acquisitions emit an receive with different antenna configurations, providing sensitivity to different geometries in the scenario. The launch in these later years of several satellites with polarimetric capabilities has triggered its use in several fields of application. The objective of this thesis is to evaluate the use of Polarimetric SAR (PolSAR) data for its application in the PSI framework. The extra information contained in PolSAR datasets is bound to improve the effectiveness of PSI techniques. Obtaining a higher density and quality of motion measurements will ease the detection and interpretation of terrain displacement phenomena.Els Radars d'Obertura Sintètica (SAR) embarcats en satèl·lits han demostrat ser molt efectius per monitoritzar grans àrees, independentment de les condicions atmosfèriques i del cicle dia/nit. L'aplicació més explotada es l'Interferometria Diferencial SAR (DInSAR), i per extensió, les tècniques avançades de processament multi-temporal anomenades Interferometria de Reflectors Persistents (PSI). Aquestes tècniques són capaces de mesurar el desplaçament en superfície del terreny observat. Aprofitant la gran cobertura que s'aconsegueix amb aquesta tecnologia, fenòmens d'origen tant natural com humà poden ser detectats i controlats per evitar i prevenir situacions de perill o fins i tot catastròfiques. La bona caracterització d'aquestes situacions sovint es relaciona tant amb la densitat com en la qualitat de la informació obtinguda. En molts casos, l’èxit en la interpretació de moviments de terreny localitzats depèn de tenir tants punts de mesura com sigui possible. Les tècniques convencionals de mesura in-situ, quan s'usen de forma adequada, són capaces de donar mesures fiables. No obstant, la seva cobertura està limitada a la localització de l'instrument, i la instal·lació d’un gran nombre d'instruments no és una solució econòmica. La bona caracterització de l'àrea mesurada amb tècniques PSI està limitada pels paràmetres d'adquisició i les característiques de la pròpia escena observada. La sensitivitat de les imatges SAR depèn en gran mesura de la distribució i la forma geomètrica dels blancs mesurats. Històricament, els sensors SAR emetien en polarització simple, i per tant la sensitivitat a la escena estava restringida a aquesta configuració específica de la antena. Per altra banda, durant les adquisicions polarimètriques s'emet i es rep en diferents configuracions de l'antena. Això permet tenir sensitivitat a geometries diferents dins la mateixa escena. El llançament aquest últims anys de diferents satèl·lits amb capacitats polarimètriques ha permès el seu ús en diversos camps d'aplicació. L'objectiu d’aquesta tesi és avaluar l'ús de dades polarimètriques SAR (PolSAR) per la seva aplicació en el marc de les tècniques PSI. La informació addicional que contenen els conjunts d’adquisicions PolSAR ha de millorar l'efectivitat de les tècniques PSI. L'obtenció d'una millor densitat i qualitat de les mesures permet una millor detecció i interpretació dels fenòmens de desplaçament superficial del terreny.Postprint (published version

Polarimetric Synthetic Aperture Radar, Principles and Application

Demonstrates the benefits of the usage of fully polarimetric synthetic aperture radar data in applications of Earth remote sensing, with educational and development purposes. Includes numerous up-to-date examples with real data from spaceborne platforms and possibility to use a software to support lecture practicals. Reviews theoretical principles in an intuitive way for each application topic. Covers in depth five application domains (forests, agriculture, cryosphere, urban, and oceans), with reference also to hazard monitorin

Ocean Remote Sensing with Synthetic Aperture Radar

The ocean covers approximately 71% of the Earth’s surface, 90% of the biosphere and contains 97% of Earth’s water. The Synthetic Aperture Radar (SAR) can image the ocean surface in all weather conditions and day or night. SAR remote sensing on ocean and coastal monitoring has become a research hotspot in geoscience and remote sensing. This book—Progress in SAR Oceanography—provides an update of the current state of the science on ocean remote sensing with SAR. Overall, the book presents a variety of marine applications, such as, oceanic surface and internal waves, wind, bathymetry, oil spill, coastline and intertidal zone classification, ship and other man-made objects’ detection, as well as remotely sensed data assimilation. The book is aimed at a wide audience, ranging from graduate students, university teachers and working scientists to policy makers and managers. Efforts have been made to highlight general principles as well as the state-of-the-art technologies in the field of SAR Oceanography

The SAR Handbook: Comprehensive Methodologies for Forest Monitoring and Biomass Estimation

This Synthetic Aperture Radar (SAR) handbook of applied methods for forest monitoring and biomass estimation has been developed by SERVIR in collaboration with SilvaCarbon to address pressing needs in the development of operational forest monitoring services. Despite the existence of SAR technology with all-weather capability for over 30 years, the applied use of this technology for operational purposes has proven difficult. This handbook seeks to provide understandable, easy-to-assimilate technical material to remote sensing specialists that may not have expertise on SAR but are interested in leveraging SAR technology in the forestry sector

Advanced Geoscience Remote Sensing

Nowadays, advanced remote sensing technology plays tremendous roles to build a quantitative and comprehensive understanding of how the Earth system operates. The advanced remote sensing technology is also used widely to monitor and survey the natural disasters and man-made pollution. Besides, telecommunication is considered as precise advanced remote sensing technology tool. Indeed precise usages of remote sensing and telecommunication without a comprehensive understanding of mathematics and physics. This book has three parts (i) microwave remote sensing applications, (ii) nuclear, geophysics and telecommunication; and (iii) environment remote sensing investigations